SIMCom WCDMA模块的应用开发指南.pdf

3G3G WCDMAWCDMA 模块模块 SIM5320SIM5320 的的应用应用开发指南开发指南 作者：李兵 硬件工程师 公司：芯讯通无线科技有限公司(SIMCom Wireless Solutions Co.,Ltd)摘要摘要 越来越多电子产品中集成3G WCDMA通信功能，由于实现直接板载WCDMA芯片入门费较高，开发周期长，利用WCDMA模块实现无线通信功能就成为更好的选择。本文选用芯讯通(SIMCom)公司的WCDMA/HSDPA模块SIM5320，从功能和硬件设计角度阐述了模块在手持消费类终端、车载通信系统、无线商话和GPS跟踪器等方案中的应用，以方便工程师进行快速的硬件设计与开发。1.引言：引言：在在全球三大 3G 标准中，WCDMA 为最主流标准，技术成熟度最高、产业链最完善，可以实现全球大范围的漫游。芯讯通(SIMCom)公司推出了一款高性价比的 WCDMA/HSDPA 模块SIM5320。该模块为城堡式 SMT 封装，具有紧凑的尺寸、超薄的厚度、支持下行速率达3.6Mbps，并且内置 GPS 和 A-GPS，非常适用于跟踪系统、车载信息系统、PDA、平板电脑、电子阅读器等众多应用。另外，SIM5320 支持嵌入式 LUA 脚本，是一个可编程模块，在多种应用场景中客户无需外部 AP。2.SIM5320 模块参数模块参数 80 PIN SMT 贴片封装.支持 GSM/GPRS/EDGE 4 频：850/900/1800/1900MHZ 支持 UMTS/HSDPA 2 频：900/2100MHZ(SIM5320E)或 850/1900MHZ(SIM5320A)或850/2100MHZ(SIM5320J)支持 HSDPA 3.6Mbps 丰富的应用接口：USIM 接口、UART 串口、USB、音频、状态指示、GPIO、ADC、PCM、SPI、KEYPAD、I2C、电源等 支持 GPS 和 A-GPS 模块内嵌 LUA 脚本，支持多线程编程 支持 MMS，内嵌 FTP/FTPS/HTTP/HTTPS/SMTP/POP3/DNS/TCP/IP 全面支持 WINCE/LINUX/ANDORID 等操作系统 尺寸:30*30*2.9mm.重量:5.6g 运行温度范围：-3080 耗流低：睡眠电流小于 2.5mA 3.SIM5320 典型应用典型应用 3.1 手持手持消费消费类类设备设备 现在平板类（PAD）消费设备风靡全球，相较于 Chip-on-board 的设计方案而言，平板设备厂家采用 WCDMA 模块可以降低开发成本与风险，加速产品研发进程，缩短产品上市时间。SIM5320 无线模块尺寸小、厚度薄，低功耗，内嵌 GPS 和 A-GPS 功能，非常适合平板类的设备需求，具体应用如下图。SIM5320 WCDMA模块SIM5320 WCDMA模块锂电池充电电路USBRF天线Power SupplyDC INPUTSIM 卡语音部分VBATUSBAP（Android/Linux/WINCE）Touch padLCDSpeakerMemoryGPS天线PMU充电控制唤醒输出(RI)GPIOGPIO唤醒输入(DTR)图 1 手持消费类设备应用原理框图 SIM5320 在手持消费终端设备上应用，硬件接口涉及到如下几个方面，电源及充电接口，USB，SIM 卡接口，音频接口，天线接口，控制接口等。AP 应用处理器可以选择Freescale的i.MX51、i.MX53 和 TI OMAP 系列。3.1.1 电源及电源及充电接口充电接口 手持消费终端设备基本上由锂电池供电，所以必须要设计电池充电电路。SIM5320 模块注册网络和 RF 多时隙发送的耗流峰值可能会达到 2A，这必然会导致电压跌落，所以电源系统一般要求 2A 以上的电流供电能力，我们推荐选用 DC/DC，效率比较高。如果电源系统供电能力较低，需要大电容补偿，以免电压跌落造成模块重启。推荐 2000uf以上容量电容和一些 nf、pf 级电容并联，靠近电源入口放置，滤除干扰。同时建议在模块电源入口加 100uf 电容。为了减少线路阻抗，增强 VBAT 稳定性，VBAT 走线尽量宽、走线尽量短，要有大面积铺地。下图为锂电池充电和模块供电电路。图 2 锂电池充电和模块供电电路 在锂电池充电电路中，当有外部供电时，Q0501、D0508 和 D0509 截止，直接由外部电源给整个系统供电；U0502 和外围器件构成锂电池充电电路。移除外部电源后，Q0501、D0508 和 D0509 打开，系统切换到锂电池供电。为了模块稳定工作，并联了几个大容量电容。在 AP 启动后，模块电源 VBAT_WCDMA 可以由 AP 控制 POWER_ON/OFF 打开。如果外部供电电压 DC-IN 大于 4.4V，就不能直接给模块供电。需要在电源输入端再加降压电路，降压后提供给充电电路和模块工作电路。3.1.2 USB 接口接口 AP 与模块与模块 SIM5320 通过通过 USB 通信，通信，SIM5320 USB 接口需要按 90ohm 差分走线。走线尽可能短、直接、尽量不要换层。3.1.3 SIM 卡接口卡接口 SIM5320 支持 1.8V 和 3V 的 USIM 卡。图 3 为 SIM 卡推荐电路。电路中 33pf 和 100nf 可以分别滤除干扰和稳定 SIM 卡电压；22R 电阻可以改善波形质量，增强 EMC 性能；由于经常触摸到 SIM 卡座，ESD 保护就显得格外重要，建议增加 TVS 保护 SIM 卡接口。SIM5320SMF05CV_USIMUSIM_CLKUSIM_DATAUSIM_CLKUSIM_DATAUSIM_RESETVCC GNDRST VPPCLK I/O22R22R22R100nFC707 10M006 5122SIM CARD33pF图 3 SIM 卡电路 3.1.4 音频接口音频接口 SIM5320 提供 Handset手持和 Speaker 免提两个模拟语音通道。在 layout 时需要注意：Handset线宽最小 10mil，Speaker 线宽最小 20mil；音频走线按差分，尽可能短，强烈推荐包地；音频走线要避开天线、电源区、LCD、clock 及其它高速信号，否则干扰杂波信号会耦合进音频线路。3.1.5 天线接口天线接口 模块有 RF 和 GPS 两个天线接口。手持消费类设备一般使用内置天线，所以 RF 和 GPS 天线在设计时需要遵循以下一些相同的规则。RF 和 GPS 天线走线需要 50ohm 阻抗控制，线尽可能短、走直线、不要换层。RF 和 GPS 天线走线要包地，遵循 3W 规则设计。Trace 两边要多打地孔。Trace 和天线远离马达、AP、memory、LCD、FPC、XO、Speaker、DCDC 等器件和区域。Trace 下面禁止布线，尤其是高速信号线，否则会造成串扰和阻抗不连续。天线要有足够的净空区域。天线 Trace 可以走微带线或者带状线。RF 天线匹配网络和推荐电路：R2C160SIM532059MAIN_ANTGNDC258GNDR1AntennaMatching circuitJ1J2 图 4 RF 匹配电路 GPS 推荐陶瓷天线，图 5 为天线匹配网络和推荐电路：80SIM532079GPS_ANTGND78GNDMatching circuitPATCHL1C1C1C2C2L2 图 5 GPS 匹配电路 3.1.6 模块休眠和唤醒模块休眠和唤醒 手持消费终端必须支持休眠策略，延长设备待机时间。只要主机 AP 支持 USB 挂 起（suspend）模式，模块在没有语音和数据业务时，就会进入休眠模式，以节省电源开销。SIMCom 可以支持客户完成 WINCE/Android/Linux 等系统驱动调试，实现主机 AP 的 USB 挂起（suspend）模式功能。模块处于休眠模式下，语音电话/视频电话/短信都能自动唤醒模块。模块也提供唤醒输入GPIO，由 AP 唤醒。3.1.7 EMC 系统如果存在 EMI，不但给认证带来困难，也会影响到 RF 和 GPS 的接收灵敏度，因此需要注意以下一些规则：AP、memory、晶振等基带电路推荐加屏蔽罩。PCB 要有完整的地平面。注意高速信号线回流路径，不能被割裂。马达、Speaker、LCD 等器件保证良好接地，防止成为电磁波发射源。高速线需要考虑阻抗匹配。注意电源完整性，避免产生电源环路，适当增加去耦和旁路电容，必要时需要串接电感或者磁珠。SIM 卡走线尽可能短，走内层。推荐加 RC 滤波电路，增强 EMC 性能。3.2 车载车载通信通信系统系统 SIM5320 模块支持温度范围宽泛，可以工作在环境温度要求严格的车载环境，内嵌 GPS 与AGPS 功能，也可以用于实现对车辆的定位跟踪功能。并且支持欧盟的 E-CALL 标准，可以将事故信息及时传递到紧急事故处理中心。另外，SIM5320 还支持 DM 和 FOTA 功能，实现固件的远程升级。下图为 SIM5320 车载通信系统框图。SIM5320 WCDMA模块SIM5320 WCDMA模块电源降压和稳定电路USBRF天线车载电源输入SIM 芯片语音部分VBATUSBAP（Android/Linux/WINCE）KEYPADLCD音响系统MemoryGPS天线PMU 图 6 车载通信系统 SIM5320 在车载通信系统设计时，模块的大部分硬件接口设计和手持消费类设备相同，在此不赘述。下面主要讲车载方面应用的不同点。3.2.1 电源接口电源接口 车载电源有瞬断的现象，模块 VBAT 上必须加大量电容补偿，保证系统能正常工作。车载环境比较恶劣，外部电源输入端加一些压敏电阻、共模电感、TVS 管等器件，可以增强模块电源抗干扰能力（用于抗浪涌，脉冲群，静电等）。下图是模块电源供电电路。因采用 DC/DC 电源方案，存在开关噪声，我们推荐使用磁珠滤出噪声。SMBJ15AFUSETVS101VinVoutON/OFFGNDFBU10112345LM2596-ADJ+100uHMBR360L101C101+C102D102C103R102R101FB101330uFVBAT2.2K1K100uF1uFPWR_CTRLC104100nF270 OHMDC input 图 7 模块电源供电电路 3.2.2 开关机设计开关机设计 模块提供 POWER_ON 用于开机和关机。建议使用 AP 的 GPIO 去控制模块的 POWER_ON引脚，实现模块开关机。SIM5320 有个自动开机的功能，只要将 POWER_ON 通过电阻接地，即可实现模块上电自动开机。此时，我们建议使用 AP 的 GPIO 去控制电源供电电路 LM2596 的 ON/OFF 端，以便控制模块上下电。10KPOWER_ONPower on/off logic200K1.8VR1RESETReset impulseSIM5320 图 8 模块自动开机电路 3.2.2 SIM 卡接口：卡接口：SIM 芯片适合车载系统震动的环境。下图为 SIM 芯片推荐电路。电路中 33pf 和 100nf 可以稳定 SIM 卡电压；22R 电阻可以改善波形质量，增强 EMC 性能。SIM5320V_USIMUSIM_CLKUSIM_DATAUSIM_CLKUSIM_DATAUSIM_RESETVCC GNDRST VPPCLK I/O22R22R22R100nFSIM Chip33pF 图 9 SIM 芯片应用电路 3.2.3 音频接口音频接口 车载系统，音频的回音抑制算法比较重要。SIM5320 模块提供了 7 种回音抑制算法：Handset/Headset/hand-free/PCM/Speaker phone 等，可以通过 AT 命令，选择其中的一种。如果使用 AP的回音算法，可以将模块内部的回音算法关闭。SIM5320 模块音频回音抑制算法比较灵活，使用起来很方便。3.2.4 天线接口天线接口 在车载应用中，我们推荐使用车载天线。布线规则和手持消费终端一致。RF 天线匹配网络和推荐电路：一般使用 SMA 接口，方便连接车载天线。GPS 推荐使用车载有源 GPS 天线。下图为 GPS 天线匹配网络和推荐电路：80SIM532079GPS_ANTGND78GNDMatching circuitRF test connectorL1C1C1VDDL3C2C2L2 图 10 GPS 有源天线匹配电路 3.2.5 e-Call 功能功能 汽车安全就需要对汽车事故快速处理。有了 eCall 系统，当汽车发生重大交通事故而击发安全气囊时，系统能自动拨打国家统一的急救电话 112（或其他号码），将急救呼叫信号以及事故车辆所在位置信息（GPS）通过无线通讯网络以最快的速度传送给最接近出事地点的紧急事故处理中心。对于那些事故发生时不清楚事发位置或受伤不能打电话的人来说，这个系统的好处显而易见。下图为 e-Call 处理示意：图 11 eCall 处理示意 3.3 3.3 WCDMAWCDMA 无线无线商话商话 无线商话与传统 PSTN 网络固话类似，都具有语音电路、电源电路、免提电路、外围 LCD及键盘等。普通无线商话方案采用 MCU 和无线模块配合实现无线接入和音频功能。下图为我们推荐的单模块无线商话方案，省掉 MCU 的使用，可以有效节约客户的成本。SIM5320GND锂电池充电电路USBRF天线开机按键WCDMA模块（LUA脚本）Power SupplyDC INPUTSIM CardUSBKEYPADCODECVBATADC语音部分LCD摘机与挂机检测SPIPCMCurrent_sink背光控制 图 12 SIM5320 无线商话方案 SIM5320 无线模块内嵌 LUA 脚本，单模块可以作为自主系统。SIM5320 模块可以直接外挂LCD，键盘等外设，并且提供大量的 GPIO 用于控制。SIM5320 Current_sink 作为 LCD 背光控制，通过 LUA 脚本控制电流，即可调整 LCD 背光亮度。SIM5320 提供 RTC 功能，实现时钟功能。ADC 可以检测电源电压，确保系统运行稳定。3.4 GPS3.4 GPS 跟跟踪器踪器 SIM5320 无线模块提供 GPS 和 GSM/WCDMA 无线功能，模块内嵌 LUA 脚本，单模块可以作为自主系统，模块各种功能和外设均可由 LUA 脚本配置。采用 SIM5320 模块的 GPS 跟踪器，将 GPS 获得的定位数据通过 GSM/WCDMA 传至后台服务器上，从而可以实现在服务器端查询终端位置。服务器也可以将追踪对象的位置信息通过短信方式告知查询者。GPS 跟踪器广泛用于儿童和老人的行踪掌握，贵重物品跟踪，宠物跟踪，货运与物流，汽车防盗等场合。GPS 跟踪器功能和告警特性。GPS 定位功能：具有立即定位、定时定位工作模式。双向通话：可设置授权号码，当按下按键就可拨打授权号码，用于紧急呼救。告警功能：紧急告警、远程控制告警、越界告警、低电压告警、防盗告警。自动休眠：在空闲状态，将自动进入休眠状态。下图为 SIM5320 GPS 跟踪器系统框图。SIM5320GNDPower SupplyUSB锂电池充电电路USB_VBUSUSBMICGPS 天线RF天线Speaker功能键开机按键网络状态LED模块状态LEDWCDMA模块（LUA脚本）POWER_ONVBATGPIO 图 13 SIM5320 GPS 跟踪器系统框图 在 GPS 跟踪器系统框图中，系统直接由锂电池供电。在锂电池电量耗尽时，可以通过 USB和充电电路给锂电池充电。MIC 和 Speaker 为可选功能，如果 GPS 跟踪器具备语音接口，可实现紧急呼叫功能。只要按下开机键 200ms 左右，即可打开模块。功能按键可以实现一些特殊功能：呼叫特定号码、模式设置等，可由 LUA 脚本设定。网络状态 LED 用于指示网络和 GPS 状态。模块状态 LED 用于指示模块运行状态：低压状态、充电状态、充电完成等。状态 LED 也可由 LUA 脚本设定。GPS 跟踪器对功耗要求很高，在设计和使用时要注意下面几点：软件关闭不需要的功能，以降低模块工作时功耗。可以启用定时跟踪：模块先设定好跟踪时间，通过 LUA 关闭 RF 发射。到了跟踪时间点，模块再自动打开 RF 功能。4.SIM5320 EVB 加速加速产品开发产品开发 SIM5320 模块有配套的 EVB 评估板。客户在设计前，可以评估模块的性能。在样机出来前，可以通过 EVB 调测软件。SIM5320 EVB 评估板提供的功能有：Power on 和 Reset 按键，可以实现模块开关机和复位。LED 指示灯：包括网络状态和电源指示灯。提供适配器和 USB 两种供电方式，通过跳线冒选择，比较方便。提供 DB9 接口，可以连接电脑；EVB 上有 UART 开关。提供 RF 开关，可以关闭或者打开 RF。提供 USB-A 接口，可以直接插在 PC 主机上，比较方便。提供 USIM 卡接口。RF 和 GPS 天线采用 SMA 接头，方便与车载天线连接。音频为差分方式，采用与传统电话手柄相同的 R11 接口。GPIO、ADC、SPI、PCM 等信号全部引到排针上。下图为 SIM5320 EVB 评估板及附件。图 13 SIM5320 EVB 结束语结束语 在 WCDMA 无线应用蓬勃发展的今天，将模块嵌入到无线产品中，可以快速占领市场。SIM5320 功能丰富，可靠性高，是客户很好的选择。上面简单讲述了使用 SIM5320 的一些应用注意事项。如有问题，可以跟芯讯通公司（SIMCom）联系与讨论。